במערכות בקרה הפועלות בתוך סביבות אותות רועשות, הכוונון של Proportional-Integral-Derivative (PID) דורש שיקול זהיר של הגדרות מסנן.ללא סינון הולם, רעש גבוה קידוד יכול להתפשט דרך הלולאה הבקרה, גרימת תנועות פעולה לא נכונות, ללבוש מוקדם, ואפילו חוסר יציבות המערכת.

הבנת מפקחי PID והשפעות רעש

בקר PID קובע פלט המבוסס על שלושה תנאים: פרופורציונלי, חלקלק וגזרה.המונח הנגזר, במיוחד, מגבר רעש גבוה ⁇ כי הוא מגיב לשיעור השינוי של אות השגיאה. בסביבות רועשות, אות השגיאה עשוי להכיל תנודות מהירות שאינן תהליכים אמיתיים.ללא סינון רעש, מונח נגזר יכול לגרום לתפוקה אגרסיבית, המוביל לתנודות או למונחים פחות רגישים, בעוד שלעתים קרובות יותר מהפרעות חמורות.

מקורות רעש כוללים הפרעה אלקטרומגנטית (EMI), רטט על חיישנים, שגיאות קוונטיות ממגירים אנלוגיים-לדיגיטליים, והפרעות תהליכים קידוד גבוה. בהגדרות תעשייתיות, רעש כזה נפוץ ויש להפחית כדי להימנע מביצועים מבוקרים. הגדרות מסנן לפעול כשורה הראשונה של הגנה, הניתנותנים את האותות לפני שהבקר פועל עליהם.

הבעיה של Kickivative ו- Noise Amplification

בעיה ידועה אחת בשליטה PID היא "בעיטות קטלניות", שבו שינוי פתאומי בנקודת סטאונקט או עלייה רועשת בתהליך משתנה גורם פלט נגזר גדול.בסביבות רועשות, אפילו תנודות קטנות גבוהות יכולות לייצר תשובות נגזרות משמעותיות.פעולה נגזרת סטנדרטית מגבירה רעש כי הרווח שלה עם תדירות. a טהורה (s in Laplace) יש לצבור אינסופית בתדירות אינסופית, מה שהופך אותו ללא כל כך נמוך מסנן.

החשיבות של הגדרות מסנן ב PID Tuning

הגדרות מסנן לקבוע את טווח התדר שבו הבקר מגיב.על ידי הגדלת תוכן גבוה קידוד, מסננים מאפשרים לבקר להגיב בעיקר לשינויים משמעותיים, נמוך קידוד כגון שינויים סטנקט או הפרעות עומס. מסנן נכון חיוני להשגת איזון בין דחייה לבין תגובת המערכת. insufficientסינון על רעש בלולאה, גרימת פעילות ג'טר ופעולה מוגזמת.

זמן המסנן קבוע או חיתוך תדירות הופך פרמטר כוונון לצד היתרונות PID. בקרים דיגיטליים מודרניים כוללים לעתים קרובות פרמטרים מסנן מתאימים לכל מונח או עבור תהליך הקלט המשתנה.הבנת כיצד הגדרות אלה אינטראקציה עם רווחי PID הוא חיוני עבור כוונון שיטתי.

סוגים של מסננים בשימוש ב PID Tuning

סוגים מסוימים של סינון משמשים בדרך כלל אותות מצב בלולאות שליטה PID.כל אחד יש נקודות חוזק ומסחריים בהתאם למאפיינים של רעש דרישות מערכת.

פילטר נמוך

מסנן הנפוץ ביותר הוא מסנן קופס נמוך הזמנה ראשונה, לעתים קרובות ממוקם על תהליך משתנה (PV) או על מונח נגזרת.

מסננים (s) = 1 / ( ⁇ f s + 1)

כאשר ⁇ f הוא זמן המסנן קבוע.התדירות חיתוך fc = 1 /(2 ⁇ f) אותות מעל fc הם מועשרים.הגדלת ⁇ f (חיתוך נמוך יותר) מספק יותר רעש קצבה אבל מוסיף שלב lag, אשר יכול להפחית את שולי היציבות. in PID tuning, זמן המסנן הוא לעתים קרובות חלק מהזמן הנגזר קבוע Td.

פילטרים

ביישומים תעשייתיים רבים, המונח נגזרה יושם כ"

D(s) = Kd s / (Td / N s + 1)

אשר כולל מסנן נמוך-פס.ה פרמטר N מגביל את הרווח גבוה ⁇ ערכי N טווח בין 5 עד 20, עם ערכים נמוכים יותר המספקים יותר סינון אבל יותר שלב lag. הגדרת N נמוך מדי יכול להפוך את המונח נגזר יעיל; הגדרתו גבוה מדי מושכות רגישות רעש.המסנן נגזר הוא לעתים קרובות ההגדרה הקריטית ביותר לטיפול רעש.

העברת מסננים ממוצעים

עבור בקרים דיגיטליים, מסנן ממוצע נע (או ממוצע ריצה) יכול להחליק את אות התהליך משתנה או טעות על ידי ממוצע דגימות M האחרון.זה מסנן תגובה אימפולס סופי (FIR) המספק תנוחה רעש מעולה עלות של זמן עיכוב שווה (M-1)/2 תקופות דגימה.

פילטרים Kalmans

במערכות עם רעש משמעותי או איכות חיישן הוא עני, מסנן קלמן יכול לספק הערכה אופטימלית המדינה על ידי שילוב המדידות רועשות עם מודל תהליך. בעוד מורכב יותר מסנן פשוט נמוך, מסנן קלמן יכול להתאים לשנות מאפייני רעש ולספק הרבה יותר דחייה רעש טוב יותר מבלי להציג lag מופרז.עם זאת, מסננים קלמן דורשים מודל מערכת מדויק סביר והם אינטנסיביים יותר.

פילטרים

כאשר חיישנים מרובים עם תכונות רעש שונות זמינים (למשל, גירוסקופ ו accelerometer), מסנן משלים יכול למזג את הפלט שלהם.הפילטר עובר תוכן נמוך מ חיישן אחד ותוכן גבוה מעוד, לייצר הערכה נקייה.זה לא מסנן PID סטנדרטי אבל ניתן ליישם את הזרם של הבקר.

איפה להשתמש מסנן ב- Control Loop

מיקום המסנן משפיע על האופן שבו הבקר מגיב לרעש ושינויי סטנקט.

תהליך משתנה (PV) filter

סינון PV לפני שהוא נכנס לקור מעצימה רעש על האות המדוייק.זה משפיע על כל שלושת המונחים (P, I, D) באותה מידה, צמצום וריאציות של פלטה המושרה רעש.עם זאת, הוא גם מאט את התגובה לשינויים בפועל.זה לעתים קרובות נקודת מסנן פשוטה ויעילה ביותר.

המונחים: Term filter

מיפוי המסנן במיוחד על המונח נגזרות הוא סטנדרטי ברוב בקרים המודרניים PID. זה מאפשר את הרווח הנגזר להיות בשימוש אגרסיבי תוך מניעת הגדלת רעש גבוה.מסנן זה בדרך כלל יש מערכת יחסים קבועה עם הזמן הנגזר (למשל, N factor).

המונחים:

שינויים ב- Setpoint יש לעתים קרובות קצוות חדים שגורמים לבעיטה נגזרת, החל מסנן או רמפה קלה ל-SECpoint יכול להפחית את ההשפעה הזו מבלי להשפיע על דחיית רעש.זה נקרא לפעמים "התחל משקל" ויכול להיות משולב עם מסננים נגזרים.

טעות מסנן

פחות נפוץ, אבל סינון אות השגיאה (נקודת מינוס PV) ניתן לעשות כאשר שני האותות הם רועשים. עם זאת, אם סט פוינט הוא נקי ו PV הוא רועש, עדיף לסנן את PV לבד.

התאמת הגדרות מסנן עבור Noisy Environments

הגדרות סינון קידוד בשילוב עם רווחי PID דורש גישה שיטתית.בסביבות רועשות, האסטרטגיות הבאות יעילות:

התחל עם מסנן קונסרבטיבי

התחל עם תדירות חיתוך נמוכה יחסית (זמן מסנן גבוה יותר קבוע) וערך N נמוך (למשל, N=5). זה מבטיח את הלולאה יציבה ופעולת היא מינימלית. ואז להגדיל בהדרגה את תדירות הקיצוץ או N תוך התבוננות בגמישות של הפלט. חפש את ההחלפה שבו הפלט הוא מקובל בזמן התגובה נשאר מספיק מהיר עבור היישום.

השתמש ב-BMWmp Tests to Assess Noise Frequency

ביצוע בדיקת קערה (שינוי קטן בנקודת סטאוט) תוך הטמעת הפלט PV והבקר. Analyze את התוכן התדירות של הרעש PV באמצעות פיסת צפיפות ספקטרלית כוח אם אפשרי.זה עוזר לקבוע את תדירות הסינון המתאים כדי לדכא רעש מבלי להשפיע על הדינמיקה של התהליך הדומיננטי.

פילטר ולהשיג את זה באופן יצירתי

הגדרות מסנן ו- PID רווחים קשורים זה לזה. קיצוץ מסנן גבוה (ללא סינון) עשוי לדרוש צמצום הרווח הנגזר כדי להימנע מחוסר יציבות.converse, סינון אגרסיבי יותר מאפשר רווח נגזר גבוה יותר אבל מוסיף שלב lag, אשר עשוי לדרוש הפחתה של רווח אינטגרלי או עלייה של רווח פרופורציונלי בזהירות.Iterate באמצעות מחזור של הסתגלות מסנן, ולאחר מכן מחדש את רווחי PID (למשל, באמצעות שיטות זיג'ר-נור או אופטימיזציה).

עקבו אחרי Fitive Filter

אם רמות הרעש משתנות לאורך זמן (למשל, בשל סביבות חיישן שונות או הפרעה אלקטרומגנטית), סינון הסתגלות יכול להתאים באופן אוטומטי פרמטרים מסנן מסנן.גישה אחת היא להעריך ברציפות את השחלות הרעש ולהתאים את זמן המסנן קבוע בהתאם.אחר הוא להשתמש מסנן קלמן עם כינון רעש מדידה covariance. שיטות הסתגלות הם מורכבים יותר אבל יכול לשמור ביצועים אופטימליים בטווח רחב של תנאים.

פעילות Actuator

מדד שימושי להערכת יעילות סינון הוא מחזור חובה או תדירות התנועה. בשסתום, סרבו או כונן מוטורי, דיפרינג מופרז מציין סינון לא מספיק. השתמש בנתונים כדי לעקוב אחר מספר הסטיות לדקה. הגדרות מסנן כי להפחית את הרצזים ללא השפעה משמעותית על מעקב או דחייה מועדפים.

טיפים מעשיים עבור יעיל PID Tuning עם מסננים

שימוש בכלים לסימולציות Pre-Tuning

לפני יישום על ציוד חי, מודל התהליך והרעש בתוכנה סימולציה (למשל, MATLAB / Simulink, Python עם ספריית בקרה, או כלי כוונון מסחרי) למטמים תצורה שונה של סינון ו- PID מרוויח כדי למצוא מסחר אופטימלי.זה חוסך זמן ומפחית את הסיכון.

התחל עם דרביטיבי רק

במקרים רבים, סינון רק מונח נגזר (באמצעות גורם N) הוא מספיק.אם רעש עדיין נמשך במסלולים פרופורציונליים או אינטגרליים, ולאחר מכן להוסיף מסנן נמוך-פס PV.Over-filtering יכול לגרום לבקר להתעלם הפרעות אמיתיות, המוביל לביצועים עניים.

זמן מסנן קבוע בקטן

קבוע זמן סינון גדול מדי (חיתוך נמוך) הופך את הבקר ללוטש. כנקודת התחלה, להגדיר את זמן המסנן קבוע כ -10% מהזמן הקטן ביותר קבוע בתהליך (אם ידוע) לתהליכים לא ידועים, להתחיל עם ⁇ f = 0.1 * * (זמן לא קבוע) ולהתאים.

עקבו אחרי PI PI GRE

אם פעולה נגזרת גורמת לבעיות רעש מתמשך למרות סינון, לשקול שימוש בקר PI במקום זאת. דרביטיבי הוא לעתים קרובות אופציונלי וניתן להשמיט ביישומים שבהם רעש הוא תגובה חמורה ומהירה לא נדרש.עם זאת, נגזר יכול לשפר את היציבות לתהליכים עם תקופות ארוכות ומתות, כך שמסחר זה צריך להיות מוערך במקרה.

סקירה כללית System Performance

מאפיינים רעש יכול להשתנות עקב ההזדקנות חיישן, השפלה נודדת, או ציוד חדש בקרבת מקום. להגדיר ביקורות ביצועים תקופתיים הכוללים ניתוח של רמות רעש PV, פעילות אקטוטור, ולשלוט פרמטרים לולאה.

מחקרים ודוגמאות

מקרה 1: בקרת טמפרטורה עם Thermocouple Noise

בלולאה של טמפרטורה פרווה, סוג K thermocouple הפיק רעש גבוה קידוד מ EMI עקב כוננים בתדרים הסמוכים.בקר PID היה רווח נגזר שגרם לפלט (כוח חימום) כדי להחליש כל כמה שניות, לבשה את הממסר של המדינה המוצק ±. על ידי הוספת מסנן קצר הזמנה ראשונה על PV עם זמן קבוע של 2 שניות (מחוץ - 0) ו- NEX נמוך מ- 10C) תוך שמירה על ידי פילטר נמוך מ- 10 ° C1.

מקרה 2: זרימה של שליטה בצמח כימי

לולאה של זרימה באמצעות זרם מגנטי מנוסה רעש מבועות בנוזל.המונח הנוצר גרם לשסתום הבקרה ל-oscillate.המהנדסים החליפו את היישום נגזר עם בקר PI טהור והוסיף מסנן ממוצע נע של 10 דגימות (100 מ"מ איחור מוחלט).התאושקציה נפסקה, והזרם נשאר בתוך 2% של סטנקט.

מקרה 3: בקרת מיקום משותפת רובוטית

במפרק זרוע רובוטי, רעש קוונטי (בשל קודקוד נמוך ברזולוציה) גרם להערכה מהירה (שימושי עבור נגזרה) להיות רועש מאוד. מסנן קלמן יושם כדי להעריך הן את המיקום והן את המהירות מקריאות קודר רועש. מסנן קאלמן סיפק הערכות מהירות חלק, המאפשר לבקר PID להשתמש בפעולה נגזרת ללא ג'טר.

מסקנה

הגדרות מסנן הן מרכיב חיוני של PID כוונון בסביבות אותות רועשים. על ידי בחירה בקפידה סוג של מסנן (נמוך, נגזר, ממוצע נע או Kalman), המיקום שלו (PV, מונח נגזר או נקודת ציון), ואת הפרמטרים שלו (זמן קבוע, N factor, או חלון sampling), מהנדסים יכולים להפחית באופן משמעותי את ההשפעה של פעולות בקרה מקובל.

(ב) לקריאה נוספת, התייחס לסעיף (FLT:0) ל-Diavet Control עם פילטר מסנן 1:1 על Control.com, המאמר של בקר FLT:2PID על ויקיפדיהFLT 3: ומדריכי כוונון מעשי כגון FLT:4 של ISA עבור PID TuningofLT:5.